[논문 리뷰] Electron-Nucleus Collisions at THERA

L. Frankfurt, V. Guzey외 2명|ArXiv.org|2001. 04. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 THERA 시설에서의 전자-핵 충돌이, 작은 결합 상수에도 불구하고 고에너지 가상 광자가 무거운 핵과 강하게 상호작용하는 블랙바디한계(BBL) 영역에서 양성치역학(양자 chromodynamics, QCD)을 탐구할 수 있는 고유한 기회를 제공한다고 제안한다. BBL 영역는 표준 주요-twist DGLAP 역학과는 질적으로 다른 예측을 이끌어내며, 이는 주로 낮은 주류하드론 다중도, 증가한 차별적 단면적, 그리고 $1/Q^2$에 비례하는 배제적 벡터 메손 생성을 포함한다. THERA는 무거운 핵에서 넓은 $Q^2$ 범위에 걸쳐 BBL에 도달할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

The nuclear option at THERA provides an ideal and unique opportunity to investigate the black body limit (BBL) of high energy Deep Inelastic Scattering of highly virtual photons off heavy nuclear targets and thereby probe QCD in a new regime. At high enough energies, whichever hadronic configuration the photon fluctuates into, the interaction at a given impact parameter with the heavy nuclear target will eventually reach its geometrical limit corresponding to the scattering from a black disk. An attractive feature of the BBL regime for a large nucleus is that the interaction is strong although the coupling constant is small. Predictions for longitudinal and transverse distributions of the leading hadrons in inclusive and diffractive channels and exclusive vector meson production are found to be strikingly different in BBL and the leading twist approximation. In particular, the multiplicity of leading hadrons in the current fragmentation region is strongly suppressed, while the cross section of diffractive vector meson production by longitudinally polarized photons is $ \propto 1/Q^2$. The x and $Q^2$ ranges where BBL maybe reached are calculated for the interaction of color triplet and color octet dipoles at central impact parameters. We conclude that for heavy nuclei THERA would reach deep into BBL for a wide range of $Q^2$. The connection between hard diffraction and leading twist nuclear shadowing is analysed. It is demonstrated that the current leading twist analyses of the HERA diffractive data lead to similar and very large leading twist shadowing for gluons. Several processes sensitive to the amount of nuclear shadowing for gluons are discussed.

연구 동기 및 목표

• THERA에서 전자-핵 충돌의 깊은 비탄성산란(DIS)에서 블랙바디한계(BBL)를 연구함으로써, 작은 결합 상수에도 불구하고 강한 상호작용이 나타나는 영역를 탐색하는 것.
• 포괄적 및 차별적 DIS 관측량에서 BBL 영역와 표준 주요-twist DGLAP 프레임워크를 명확히 구별할 수 있는 실험적 서명을 식별하는 것.
• 핵의 그림자 효과, 특히 글루온에 대한 그림자 효과의 역할과 고에너지 핵 충돌에서의 딱딱한 차별성 및 색 투과도와의 연관성을 분석하는 것.
• 무거운 핵에서 BBL 영역에 도달할 수 있는 가능성 평가 및 $x$와 $Q^2$의 운동역학적 영역 측정.
• 핵이 부분자 밀도가 높고 가장자리 효과가 억제되므로, BBL에 접근하는 데에 양성자 대비 보다 우수한 환경을 제공한다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 중앙 영향 매개변수에서의 광자-핵 산란에 대해 eikonal 모델과 단위성 조건을 활용하여 블랙디스크 한계를 계산한다.
• BBL 근사법을 적용하여 포괄적 및 차별적 단면적을 계산하며, 종방향 및 횡방향 하드론 분포와 배제적 벡터 메손 생성을 포함한다.
• BBL에서 핵의 구조함수의 $x$와 $Q^2$ 의존성을 유도하며, $F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$ 를 보여주며, DGLAP 스케일링과 대비된다.
• 주요-twist 모델의 차별적 부분자 분포를 사용하여 $x$와 $Q^2$ 에 따라 변화하는 핵의 그림자 효과의 효과적 단면적 $\sigma^{j}_{\text{eff}}$ 를 평가한다.
• 배제적 벡터 메손 전자생성에 대해 주요-twist와 BBL 예측을 비교하여, BBL 영역에서 $1/Q^2$ 의존성이 있음을 발견한다.
• 색 투과도와 일관된 생산의 역할을 평가하며, 횡방향 운동량 $p_t \leq 2/R_A^2$ 를 고려하여 일관된 과정에서 탐지가 단순화됨을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THERA에서 전자-핵 충돌에서 고에너지 DIS의 블랙바디한계(BBL)에 도달할 수 있으며, 이는 어떤 $x$와 $Q^2$ 범위에서 가능한가?
• RQ2 포괄적 관측량인 핵의 구조함수와 현재 분열 영역에서의 하드론 다중도는 BBL 영역에서 표준 주요-twist DGLAP 영역과 어떻게 다를까?
• RQ3 BBL에서 글루온 그림자 효과의 역할은 무엇이며, 딱딱한 차별성과 주요-twist 핵의 그림자 효과와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 왜 핵은 가장자리 효과 억제와 부분자 밀도 증가로 인해 BBL을 탐색하는 데에 양성자보다 더 적합한가?
• RQ5 배제적 과정, 예를 들어 벡터 메손 전자생성에서 BBL의 관측 가능한 서명은 무엇이며, 기존 QCD 예측과 어떻게 다를까?

주요 결과

• BBL 영역에서 핵의 구조함수는 $F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$ 와 같이 스케일링되며, DGLAP에서 예측하는 것보다 느린 $1/x$ 의존성을 보이며, 표준 스케일링과의 이탈을 나타낸다.
• 핵과 양성자 구조함수의 비율은 $1/x$ 에 따라 감소하며, $F^{A}_{2}/F^{N}_{2} \propto 1/(1 + c_N \ln^2 1/x)$ 를 따르며, 이는 BBL의 명확한 서명이다.
• 포괄적 차별적 단면적은 BBL에서 총 단면적의 약 절반에 도달하며, 이는 차별적 과정의 극도로 증가했음을 시사한다.
• 배제적 벡터 메손 생성은 종방향으로 극화된 광자에서 $\propto 1/Q^2$ 의 의존성을 보이며, 주요-twist 모델의 $Q^2$ 의존성과는 뚜렷한 대비를 이룬다.
• 글루온 그림자 효과의 효과적 단면적 $\sigma^{g}_{\text{eff}}$ 는 $Q^2 \sim 2$ GeV 및 $x \sim 10^{-3}$ 에서 약 $10$ mb 수준에 도달하며, 강한 그림자 효과를 나타낸다.
• Pb 핵에서 $Q^2 \sim 10$ GeV 일 때, $x \lesssim 10^{-3}$ 에서 BBL 영역에 도달 가능하며, 높은 부분자 밀도와 레이저 수축으로 인해 블랙디스크 한계에 도달한다.